ZnO基pn结及其紫外发光性能的研究课件.ppt
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- ZnO pn 及其 紫外 发光 性能 研究 课件
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1、ZnO基基p-n结及其紫外发光结及其紫外发光性能的研究性能的研究 报报 告告 人:人:许小亮许小亮工作单位工作单位:中国科学技术大学物理系中国科学技术大学物理系E-mail:E-mail:电电 话话:0551-3607574:0551-3607574大学物理研究型实验网上教学材料 目目 录录 1引引 言言:ZnO:ZnO薄膜的紫外激光研究综述薄膜的紫外激光研究综述 v v ZnOZnO薄膜材料简介,特点和用途薄膜材料简介,特点和用途 vv ZnO ZnO基基p-np-n结研究的几个方面之比较结研究的几个方面之比较 v 2.本课题研究内容本课题研究内容 vv理论基础:理论基础:ZnOZnO薄膜中
2、的缺陷及其对制备薄膜中的缺陷及其对制备p-ZnO的影响分析的影响分析 v v p 型和型和n型型ZnO薄膜的光学和结构特性薄膜的光学和结构特性 vv热处理温度和方式对热处理温度和方式对ZnO薄膜薄膜 和和ZnO p-n 结质量的影响结质量的影响 vv研究展望研究展望 3.3.成果小结成果小结ZnOZnO材料简介,特点和用途材料简介,特点和用途第三代宽禁带光电功能材料的代表之一第三代宽禁带光电功能材料的代表之一 ZnSeZnSe(1990),(1990),SiCSiC(1992),(1992),GaNGaN(1994),(1994),ZnOZnO(1996(1996)(特点:禁带宽度(eV)12
3、40/激光波长(nm),反比关系)1.ZnO1.ZnO是宽禁带是宽禁带:3.37eV3.37eV、高、高束缚激子能束缚激子能 60 meV60 meV,大于室温的热离化能大于室温的热离化能 26 meV26 meV,因此,因此 与其它几种宽禁带发光材料如与其它几种宽禁带发光材料如ZnSeZnSe(束缚激子能束缚激子能22 meV),22 meV),ZnS(40 meV)ZnS(40 meV)和和GaN(25 meVGaN(25 meV)相比相比,ZnO,ZnO是一种合适的用是一种合适的用于室温或更高温度下的紫外激光材料于室温或更高温度下的紫外激光材料 2.2.生长成本较低生长成本较低ZnOZn
4、O 同质同质p-np-n结研究的几个结研究的几个方面之比较方面之比较 (i)半导体发光的几种激发方式半导体发光的几种激发方式(PL,CL,EL)(PL,CL,EL)(ii)p p型半导体,型半导体,n n型半导体,型半导体,p-np-n结结(iii)同质)同质p-np-n结结,异质异质p-np-n结结(iv)目前国内外通行的)目前国内外通行的 p-ZnO p-ZnO 和和ZnOZnO 同同 质质p-np-n结的制备方法(下页)结的制备方法(下页)目前国外通行的目前国外通行的 p-ZnO p-ZnO 和和ZnOZnO 同质同质p-np-n结的制备方法结的制备方法v制备p-ZnO存在的困难,缺陷的
5、形成能,杂质的固溶特性v几种制备p-ZnO的方法及特点 1)化学气相沉积法(CVD)2)共掺杂法(co-doping)成品率低,光电效率差 3)激光脉冲沉积法(PLD)4)反应溅射法(RSM)成品率较高,光电特性一般 5)热扩散法 (TDM)成品率很高,光电特性差v几种制备ZnO p-n结的方法及特点,突变结,缓变结2.2.研究内容研究内容vv理论基础:理论基础:ZnOZnO中的缺陷及其对制备中的缺陷及其对制备p-ZnO的影响分析的影响分析 根据理论分析ZnO薄膜中的天然缺陷一共有6种,但只有3种的形成能较小,因而得以产生。它们是:氧空位,间隙锌,以及反位锌氧空位,间隙锌,以及反位锌锌氧间隙锌
6、反位锌锌氧氧空位,间隙锌,以及间隙锌的氧空位,间隙锌,以及间隙锌的能级位置及其作用能级位置及其作用间隙锌能级31meV氧空位能61meV反位锌能级0.96 eV禁带宽度 3.37 eV导带导带价带价带D1D2施主,提供电子A1受主,提供空穴ZnO薄膜中的氧空位,间隙锌以及反位锌对薄膜中的氧空位,间隙锌以及反位锌对生成生成 p型型ZnO的影响的影响 1.氧化锌薄膜中的氧化锌薄膜中的氧空位和间隙锌氧空位和间隙锌是施主的来源,后者是施主的来源,后者可通过可通过500oC退火将其转移到锌的格位上,退火将其转移到锌的格位上,Xiong等人等人报道了一个简单的方法,即通过在报道了一个简单的方法,即通过在直
7、流溅射直流溅射中增加氧中增加氧的方法去除氧空位,当反应室中氧气比例超过的方法去除氧空位,当反应室中氧气比例超过55,可得到可得到p-ZnO,且空穴浓度与氧的百分比成正比。,且空穴浓度与氧的百分比成正比。2.我们按他的方法做,不成功。原因是他模糊了两个关我们按他的方法做,不成功。原因是他模糊了两个关键参数:溅射功率和溅射速率。只有键参数:溅射功率和溅射速率。只有当溅射功率和溅当溅射功率和溅射速率处于某一范围时射速率处于某一范围时方可有效地去除氧空位和增加方可有效地去除氧空位和增加反位锌,得到反位锌,得到p-ZnO:p型成品率约为型成品率约为40。3.我们将上述方法移植到我们将上述方法移植到射频溅
8、射射频溅射中,取得了大于中,取得了大于80的的p型成品率。因为型成品率。因为射频溅射可高效地分解氧分子,射频溅射可高效地分解氧分子,并将离解的氧原子输送到薄膜中氧的格位上。并将离解的氧原子输送到薄膜中氧的格位上。1)速率过慢,靶被氧化,生成髙阻)速率过慢,靶被氧化,生成髙阻ZnO;2)速率较慢,虽去除了氧空位,但也不利于生)速率较慢,虽去除了氧空位,但也不利于生 成受主反位锌;成受主反位锌;3)速率过快,达不到使薄膜富氧的效果。)速率过快,达不到使薄膜富氧的效果。5.掌握掌握 溅射功率的物理意义分析:溅射功率的物理意义分析:1)功率较小,不能有效地将氧分子离解为原子;)功率较小,不能有效地将氧
9、分子离解为原子;不能达到有效的溅射粒子动能;不能达到有效的溅射粒子动能;2)功率过大,使锌靶很快地蒸发,造成生长锌)功率过大,使锌靶很快地蒸发,造成生长锌 膜和破坏设备。膜和破坏设备。4.掌握掌握 溅射速率的物理意义分析:溅射速率的物理意义分析:2022-12-2010p 型和型和n型型ZnO薄膜的光学和结构特性薄膜的光学和结构特性v衬底材料的选择vp 型ZnO薄膜的生长方法 磁控溅射法、热扩散法磁控溅射法、热扩散法vn 型ZnO薄膜的生长方法 磁控溅射法、化学液相沉积磁控溅射法、化学液相沉积vp 型和n型ZnO薄膜的光学、电 v 学和结构特性v高温退火导致的热扩散和新化 合物的产生不同衬底材
10、料的比较不同衬底材料的比较v在选择衬底的时候应考虑的因素:在选择衬底的时候应考虑的因素:(i)衬底材料的晶体结构要匹配衬底材料的晶体结构要匹配;(ii)晶格失配必须尽可能地小;)晶格失配必须尽可能地小;(iii)热膨胀系数的差距亦应尽可能地小。)热膨胀系数的差距亦应尽可能地小。(iv)价格因素价格因素SiSi作为衬底的优越性和需要注意的问题作为衬底的优越性和需要注意的问题SiSi是最便宜的一种衬底材料是最便宜的一种衬底材料结构:立方晶体,常数结构:立方晶体,常数a=5.43 a=5.43,晶格失配较大晶格失配较大(ZnO(ZnO:a=3.252):a=3.252)。缓冲层的作用:减少应力;缓冲
11、层的作用:减少应力;减少晶格失配减少晶格失配硅衬底上硅衬底上ZnO薄膜的制备及其结构特性薄膜的制备及其结构特性1.溅射法制备溅射法制备p 型和型和n型型ZnO薄膜薄膜 1)1)靶材料的选择和制备:靶材料的选择和制备:当生长当生长p型型ZnO薄膜时,采薄膜时,采 用纯度为优于用纯度为优于4N的纯的纯净锌靶。当净锌靶。当生长生长n型型ZnO薄膜薄膜 时,采用压制时,采用压制/烧结成烧结成型的型的ZnO:Al 陶瓷靶,它的原料为纯度优于陶瓷靶,它的原料为纯度优于4N的的ZnO粉末和粉末和1%重量的重量的Al2O3 粉末,采用烧结法:将制得的粉末,采用烧结法:将制得的靶材在靶材在10001300oC下
12、烧结,即得到溅射用的陶瓷靶。下烧结,即得到溅射用的陶瓷靶。3)生长温度以及速率的控制:生长温度以及速率的控制:采用两步生长法:先用低温慢速率(采用两步生长法:先用低温慢速率(200oC,0.5/s)生长生长200 左右的过渡层;再采用一般速率(左右的过渡层;再采用一般速率(300oC,1/s)生长)生长0.5 1.0的的ZnO(对生长速率的特别的(对生长速率的特别的要求:一般不要太慢太快,否则不能反型。),再置于要求:一般不要太慢太快,否则不能反型。),再置于700oC、空气气氛中作、空气气氛中作20分钟的退火。分钟的退火。2)气体的选择:气体的选择:高纯高纯Ar为溅射气体,高纯为溅射气体,高
13、纯O2为反应气为反应气 体(亦兼溅射体(亦兼溅射气体);当生长气体);当生长p型型ZnO薄膜时,在反应室中充过量薄膜时,在反应室中充过量的的O2,O2/Ar 的百分比为的百分比为6085%/40 15%,反应室反应室的背景真空度不低于的背景真空度不低于3x10-4Pa,充气后反应室中气体压充气后反应室中气体压强控制在强控制在1 3Pa。当生长。当生长n型型ZnO薄膜时,在反应室薄膜时,在反应室中中O2/Ar 的之比为的之比为1/1。4)具有具有p-i-n夹层结构的夹层结构的 ZnO 同质同质p-n 结的制备:结的制备:(其中(其中SiO2层采用层采用SiO2粉末吧、射频溅射制备而粉末吧、射频溅
14、射制备而成,上下电极为成,上下电极为ITO薄膜材料或薄膜材料或Al 合金)合金)引线上电极n-ZnO(1)SiO2(1nm)p-ZnO(1)环行下电极SiO2隔离层(3nm)Si(100)衬底(0.5mm)5)ZnO 薄膜的结构特性:薄膜的结构特性:ZnO 薄膜表面的薄膜表面的原子力显微镜图象。原子力显微镜图象。为空间密排六角柱为空间密排六角柱型结构,尺度为型结构,尺度为50 100nm,有利于,有利于束缚激子的形成:束缚激子的形成:有利于产生高效率有利于产生高效率的紫外激光。的紫外激光。100nm6)ZnO 薄膜的薄膜的 光学特性:光学特性:350400450500550600700p-Zn
15、On-ZnOIntensity(arb.Unit)Wavelength(nm)390nmZnO薄膜的阴极射线发光光谱。图中390 nm为紫外激光,来自于束缚激子与EHP发射;515 nm为绿色荧光,来自氧空位的跃迁机制。n型ZnO中有较多氧空位而抑制了紫外激光。这与退火有关。515nmZnO同质同质p-n 结的电学输运特性结的电学输运特性及其与日美同类器件的比较及其与日美同类器件的比较 V(v)I(mA)105-51.02.0-10-20V(v)I(mA)1.00.5-0.51.02.0-10-20ZnO p-n结原型器件的I-V特性曲线:(a)我们(2002)(b)日本(2001)和(c)美
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